雙向變流裝置在城市軌道交通中的多場(chǎng)景應(yīng)用研究

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化院 左 超

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程的逐年增加，城市軌道交通總電能耗逐年攀升。其中，2020年城軌交通牽引能耗84億千瓦時(shí)，平均車公里牽引能耗1.9千瓦時(shí)。通過(guò)采取措施降低車公里牽引能耗，對(duì)于降低運(yùn)營(yíng)成本、響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)具有重大意義[1]。

城市軌道交通多采用直流供電制式，其核心特征是采用24脈波整流機(jī)組進(jìn)行供電，具有可靠性較高且成本較低的優(yōu)勢(shì)，但是存在再生制動(dòng)能量無(wú)法吸收、功率因數(shù)低、接觸網(wǎng)直流電壓波動(dòng)大等諸多問(wèn)題。為更加充分吸收或利用列車再生制動(dòng)能量，我國(guó)許多城市軌道交通采用了不同形式的能饋裝置，主要包括電阻耗能型、儲(chǔ)能型、逆變回饋型[2]。其中，中壓逆變回饋型能饋裝置在行業(yè)內(nèi)已廣泛應(yīng)用。

在此基礎(chǔ)上，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步研發(fā)出雙向變流裝置，讓設(shè)備可以分別工作在整流和逆變兩種狀態(tài)下。雙向變流裝置集合了傳統(tǒng)的牽引整流機(jī)組、逆變回饋裝置和無(wú)功補(bǔ)償裝置功能，這有助于提高牽引供電系統(tǒng)的能量利用效率、功率因數(shù)，降低接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)，代表了未來(lái)城市軌道交通牽引供電技術(shù)的發(fā)展方向[3]。目前國(guó)內(nèi)部分城市軌道交通實(shí)現(xiàn)了將雙向變流裝置作為輔助裝置與整流機(jī)組實(shí)現(xiàn)并聯(lián)牽引，尚無(wú)全線完全由雙向變流裝置獨(dú)立牽引的應(yīng)用實(shí)例，因此有必要在未開通線路上進(jìn)行試驗(yàn)，開展雙向變流裝置全線多場(chǎng)景應(yīng)用研究[4-5]。

目前能饋裝置廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)城市軌道交通中，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，雙向變流裝置在工程中的應(yīng)用愈加成熟。本文結(jié)合雙向變流裝置的原理及優(yōu)點(diǎn)，在某條城市軌道交通線路中分別進(jìn)行了雙向變流裝置獨(dú)立牽引、雙向變流裝置與整流機(jī)組并聯(lián)牽引等試驗(yàn)，研究了不同場(chǎng)景下雙向變流裝置在城市軌道交通線路中全線應(yīng)用的可行性，為雙向變流裝置在國(guó)內(nèi)推廣使用提供參考。

1 雙向變流裝置原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 雙向變流裝置原理

雙向變流裝置是將目前的整流機(jī)組+逆變裝置進(jìn)行整合，基于PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，同時(shí)開啟IGBT 的整流和逆變功能，讓設(shè)備可以分別工作在整流和逆變兩種狀態(tài)下，從而實(shí)現(xiàn)與列車牽引、制動(dòng)特性的優(yōu)秀匹配。

圖1 整流機(jī)組+中壓逆變型再生能饋裝置原理圖

1.2 雙向變流裝置優(yōu)點(diǎn)

能量雙向流動(dòng)。列車牽引取流時(shí)，能量通過(guò)雙向變流裝置由交流側(cè)傳遞至直流側(cè)向列車供電；列車制動(dòng)時(shí)，除被其它列車吸收外，多余的制動(dòng)能量通過(guò)雙向變流裝置直接反饋回交流側(cè)中壓環(huán)網(wǎng)，供其他負(fù)載使用。

圖2 雙向變流型再生能饋裝置原理圖

穩(wěn)定直流網(wǎng)壓。通過(guò)檢測(cè)直流電壓與設(shè)定值之間的大小關(guān)系，控制雙向變流裝置傳輸能量的方向及大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的調(diào)節(jié)，起到穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓的效果。

提高系統(tǒng)功率因數(shù)。雙向變流裝置具備功率因數(shù)任意可調(diào)的特點(diǎn)，可取代專用的無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG，并且有效解決中壓網(wǎng)絡(luò)非高峰時(shí)段功率因數(shù)偏低的問(wèn)題。

2 雙向變流試驗(yàn)

北方某城市地鐵2號(hào)線列車采用4動(dòng)2拖的B2型車，開通前空載運(yùn)行，最高運(yùn)行速度為80km/h。上線列車數(shù)量為12列，行車間隔為8分45秒。全線共設(shè)車站20座，其中牽混所10座，每個(gè)牽混所配置2套整流機(jī)組和1套雙向變流裝置，其中整流機(jī)組的額定容量為2×2200kW，雙向變流裝置的額定容量為2000kW，峰值容量為5000kW。

在全線列車按圖運(yùn)行的情況下，分別進(jìn)行了以下三種工況條件下的試驗(yàn)：工況1。雙向變流裝置獨(dú)立牽引試驗(yàn)（全線整流機(jī)組退出）；工況2。雙向變流裝置獨(dú)立牽引+與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引試驗(yàn)（整流機(jī)組僅隔站投入）；工況3。雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引試驗(yàn)（全線整流機(jī)組均投入）。其中工況1雙向變流裝置獨(dú)立牽引試驗(yàn)，屬于國(guó)內(nèi)首次在城市軌道交通正線實(shí)現(xiàn)全線無(wú)整流機(jī)組的牽引運(yùn)行。

2.1 雙向變流裝置獨(dú)立牽引試驗(yàn)

圖3 工況1列車直流電壓變化圖

全線雙向變流裝置的整流電壓均設(shè)為1650～1550V（下垂控制），逆變電壓均設(shè)為1750V（恒壓控制），全線整流機(jī)組退出運(yùn)行，完全由雙向變流裝置獨(dú)立牽引。各牽混所的最大牽引功率、最低直流電壓、列車直流電壓如下：

從表1中可知，全線各牽混所雙向變流裝置的最大牽引功率為3772kW，均低于設(shè)備峰值功率（5000kW）。在全線整流機(jī)組均退出的情況下，依靠10套5MW 雙向變流裝置可以滿足12列B 型車空載運(yùn)行需求，各牽混所牽引功率分布較為均衡。

表1 工況1各牽混所的最大牽引功率和最低直流電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

全線各牽混所的最低網(wǎng)壓為1572V，全線列車直流網(wǎng)壓最低為1557V、最高為1750V。采用雙向變流裝置，可以將列車網(wǎng)壓的波動(dòng)控制在較小的范圍內(nèi)。

2.2 雙向變流裝置獨(dú)立牽引+與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引試驗(yàn)

全線雙向變流裝置的整流電壓均設(shè)為1650～1550V（下垂控制），逆變電壓均設(shè)為1750V（恒壓控制），選取其中的牽混所1、牽混所3、牽混所5、牽混所7、牽混所9的整流機(jī)組退出運(yùn)行，以上牽混所完全由雙向變流裝置獨(dú)立牽引，其余牽混所則由雙向變流裝置和整流機(jī)組并聯(lián)完成牽引。各牽混所的最大牽引功率、最低直流電壓、列車直流電壓如下：

從表2中可知，全線各牽混所雙向變流裝置的最大牽引功率為3256kW，均低于設(shè)備峰值功率（5000kW）。和工況1相比，5個(gè)車站的整流機(jī)組重新投入了應(yīng)用，分擔(dān)了雙向變流裝置一定功率，工況2條件下的雙向變流裝置最大牽引功率低于工況1。

表2 工況2各牽混所的最大牽引功率和最低直流電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 工況2列車直流電壓變化圖

當(dāng)全線分別處于雙向變流裝置獨(dú)立牽引和雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引兩種狀態(tài)時(shí)，各牽混所牽引功率分布較為均衡，雙向變流裝置與整流機(jī)組間相互配合良好。

全線各牽混所的最低網(wǎng)壓為1586V，全線列車直流網(wǎng)壓最低為1562V，最高為1759V，列車網(wǎng)壓波動(dòng)較小。

2.3 雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引試驗(yàn)

全線雙向變流裝置的整流電壓均設(shè)為1650～1550V（下垂控制），逆變電壓均設(shè)為1750V（恒壓控制），全線整流機(jī)組均投入，所有牽混所均由雙向變流裝置和整流機(jī)組并聯(lián)完成牽引。各牽混所的最大牽引功率、最低直流電壓，列車直流電壓如下：

圖5 工況3列車直流電壓變化圖

從表3中可知，全線各牽混所雙向變流裝置的最大牽引功率為2900kW，均低于設(shè)備峰值功率（5000kW）。和工況1、2相比，所有車站的整流機(jī)組全部投入了應(yīng)用，雙向變流裝置承擔(dān)的牽引功率進(jìn)一步降低。

表3 工況3各牽混所的最大牽引功率和最低直流電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

當(dāng)全線均處于雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引狀態(tài)時(shí)，各牽混所牽引功率分布較為均衡，雙向變流裝置與整流機(jī)組間相互配合良好。

全線各牽混所的最低網(wǎng)壓為1592V，全線列車直流網(wǎng)壓最低為1555V、最高為1752V，列車網(wǎng)壓波動(dòng)較小。

2.4 試驗(yàn)總結(jié)與展望

對(duì)于一條20km 左右長(zhǎng)度的城市軌道交通線路，在全線整流機(jī)組完全退出的條件下，依靠10套5MW雙向變流裝置可以滿足12列B 型車空載運(yùn)行的需求。

無(wú)論是雙向變流裝置隔站獨(dú)立牽引，還是全線雙向變流裝置與整流機(jī)組并聯(lián)牽引，雙向變流裝置與整流機(jī)組間相互配合較好，各牽混所牽引功率分布較為均衡。

當(dāng)雙向變流裝置分別處于單獨(dú)工作、隔站單獨(dú)工作、與24脈波整流機(jī)組配合工作等狀態(tài)時(shí)，其最大牽引功率呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。

采用雙向變流裝置，可以有效控制列車網(wǎng)壓波動(dòng)在較小的范圍內(nèi)，起到了改善網(wǎng)壓的效果。

雙向變流裝置對(duì)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)具有顯著改善作用，且各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，具備在正線全線推廣應(yīng)用的條件。各城市軌道交通項(xiàng)目可根據(jù)各自發(fā)展現(xiàn)狀、實(shí)際需求、資金投入等條件決定全線雙向變流裝置投入數(shù)量和具體使用方式。

綜上，隨著城市軌道交通牽引能耗的逐年攀升，再生能饋裝置將得到更加普遍的應(yīng)用。其中，雙向變流裝置將整流機(jī)組、逆變裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置功能集于一身，節(jié)省了設(shè)備投資和土建面積，進(jìn)一步改善了供電系統(tǒng)性能，代表了城市軌道交通能饋裝置未來(lái)的發(fā)展方向。本文通過(guò)研究分析不同場(chǎng)景下雙向變流裝置在城市軌道交通線路中全線應(yīng)用的可行性，對(duì)于將來(lái)雙向變流裝置在各城市推廣應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。